intTypePromotion=1

Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 1 - Bùi Quốc Anh

Chia sẻ: Nguyên Phương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

0
101
lượt xem
17
download

Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 1 - Bùi Quốc Anh

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 1: Tổng quan về các hệ thống máy tính công nghiệp" giới thiệu tới người học các định nghĩa về hệ thống máy tính công nghiệp, lịch sử phát triển của hệ thống máy tính, phân biệt các hệ thống, cấu trúc mạng công nghiệp, hoạt động và các phần mềm,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 1 - Bùi Quốc Anh

  1. 8/26/2012 Ch 1. Tổng quan về các hệ thống máy tính công nghiệp Ch 1: Overview 1 Ch. 1 Tổng quan các hệ thống Máy tính công nghiệp 1.1. Khái niệm: Là các Mạng máy tính có độ tin cậy cao, gắn liền với đối tượng công nghệ, cho phép liên kết mạng ở nhiều cấp độ khác nhau để điều khiển quá trình và quản trị thông tin sản xuất, kinh doanh. Địa chỉ ứng dụng: – Các hệ Phát - Truyền tải - Phân phối điện, – Các nhà máy sản xuất thép, cement, phân bón, – Hệ thông tin Điều hành giao thông, tìm đường – Hệ thống khai thác vận chuyển dầu-khí, – Trong lĩnh vực An ninh - Quốc phòng – Hàng không - Vũ trụ... Ch 1: Overview 2 1
  2. 8/26/2012 • Các Hệ thống thiết bị và mạng: – SCADA - Supervisory Control And Data Acquistion Systems, – DCS - Distributed Control System, – QCS/OCS - Quality [Open] Control System, – DAS - Data Acquisition System, – PLC - Robot ... Ch 1: Overview 3 • Lịch sử - phát triển: – 1960s: Hệ thống điều khiển công nghiệp trên cơ sở Relays/ Contactors, cồng kềnh, độ chính xác kém, không tập trung, việc bảo dưỡng, xác định lỗi khó khăn... năng suất/ chất lượng kém. – 1970s: Xuất hiện PLC - Bộ điều khiển Logic khả trình, chủ yếu thực hiện các hàm logic, delay, bộ đếm... để thay thế cho các bộ điều khiển các dây chuyền sản xuất, thay đổi cấu trúc linh hoạt hơn nhưng chưa có tính tập trung hóa cao, số thiết bị được gắn kết với nhau ít, dbase mức thấp. Ch 1: Overview 4 2
  3. 8/26/2012 – 1990s: Xuất hiện các hệ SCADA/ DCS trên cơ sở mạng LAN mạnh, các công cụ quản trị số liệu, các máy tính và hệ thống truyền tin tốt... nâng cao tính mềm dẻo cho sản xuất, nâng cao chất lượng, năng suất... giải phóng sức lao động cho công nhân. – Từ 1995: Mạng Internet phổ biến: các mô hình 'remote': training, installing, service, commissioning, upgrading... – TK21: networking, webbase... gắn với online report Ch 1: Overview 5 – Vietnam: Hoàng thạch Cement Mill (1980s - QCX), Bãi bằng Pulp & Paper Mill (1997 - QCS) của ABB, SCADA điều độ lưới điện quốc gia - A0 và các miền A1/ A2/ A3 cùng các điều độ địa phương - HN, HCM... (1995 - nay)... và tất cả các N/m mới đầu tư, nâng cấp sau 1990 như Hòa bình Hydro Power Plan, Phú mỹ/ Bà rịa/ Phả lại... Thermo Power Plans (OCS), Rolling Mills, Cement Mills... – Xu hướng phát triển hiện nay: Tự động dựa trên máy tính - PC based Automation, tích hợp với PLC... như dây chuyền sản xuất - lắp ráp xe hơi, phân bón - thực/dược phẩm… Ch 1: Overview 6 3
  4. 8/26/2012 • Phân biệt các hệ thống: – SCADA: – Trên cơ sở hệ truyền thông mạnh, tốc độ cao, khoảng cách xa trải trên diện rộng lớn hàng trăm hoặc hàng ngàn km, có các lệnh kết nối qua vệ tinh, máy thu phát vi ba, cáp quang hoặc ISDN... – Ví dụ: các hệ điều độ sản xuất, truyền tải và phân phối điện lực Quốc gia, các khu vực Miền Bắc, Miền Nam, Miền Trung, Cty Điện lực Hà nội, Sài gòn, hệ Khai thác và Dẫn khí đồng hành Dinh cố... – Thường các hệ này ít điều khiển (tuy vẫn có chức năng ĐK) Ch 1: Overview 7 – DCS/OCS/QCS: • Hệ Đo lường - Điều khiển - Bảo vệ tập trung trong các nhà máy, xí nghiệp, số điểm công nghệ lên đến vài ngàn điểm • Khoảng cách gần, max là 10 km • Truyền tin trên các đường truyền mạng/giao thức công nghiệp • Có tính thời thực cao cho điều khiển và bảo vệ – DAS/Quan trắc công trình/môi trường. • Hệ Đo lường - Điều khiển - Bảo vệ tập trung trong các dây chuyền xí nghiệp nhỏ lẻ, qui mô đơn giản Ch 1: Overview 8 4
  5. 8/26/2012 Ch 1. Tổng quan Hệ thống máy tính Công nghiệp 1.2. Đặc điểm Các hệ thống Máy tính công nghiệp: • Ghép nối trực tiếp với đối tượng công nghệ và xử lý thông tin trong thời gian thực, • Truyền tin trong khoảng cách xa (km.. Mm) • Thường được liên kết thành mạng với các giao thức riêng, các giao thức hướng công nghiệp, đã được đơn giản hóa và chuẩn hóa mức độ cao • Độ tin cậy cao, chống nhiễu tốt, chống treo (Watch Dog Timer/ Chien de Garde). Hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt: Out door, độ ẩm cao, bụi, rung sóc, chịu được va đập... • Hot services (hot pluggible/swap) Ch 1: Overview 9 • Tính linh hoạt cao, dễ mở rộng, nâng cấp, khai báo đơn giản, • Dễ dàng chuẩn đoán/ xác định sự cố nhờ có cơ chế (thiết bị và giao thức) để đo lường các thông tin vật lý của thiết bị (t, RH, ...) • Nguyên tắc hoạt động theo kiểu chu kỳ quét lặp lại (scan loop), thay đổi các tham số của chương trình mà không cần (không được) dừng hệ thống, • Các công cụ phát triển: dễ sử dụng, hướng đối tượng, thân thiện • Nâng cao độ tin cậy: dùng các cơ chế Song hành (duplication), Dự phòng (redundancy) cho các máy chủ, máy in sự kiện, thiết bị sao lưu... và các đường truyền tin. Ch 1: Overview 10 5
  6. 8/26/2012 • Nâng cao độ tin cậy: – Cơ chế Song hành (duplication): • Cho các Hệ thiết bị như máy tính chủ, đường truyền LAN, các modules, nguồn cung cấp... • Các thiết bị song hành cùng thực hiện công việc chung - Load sharing. Nếu thiết bị thự (i) có sự có, các thiết bị còn lại thực hiện phần việc của TB (i) • Thường có Thiết bị Master hay Supervisor để giám sát việc thi hành của các thiết bị song hành Ch 1: Overview 11 – Cơ chế Dự phòng (Redundancy): • Dự phòng nguội. • Dự phòng nóng (Active-Standby): 2 thiết bị cùng thực hiện chức năng như nhau về update CSDL Công nghiệp, cùng tính toán cho điều khiển ra, nhưng chỉ có Tbị Active đưa tín hiệu ra – Watch Dog/ Chien de Garde: Ch 1: Overview 12 6
  7. 8/26/2012 Hình 101. Song hành và dự phòng Ch 1: Overview 13 Ch 1. Tổng quan Hệ thống máy tính Công nghiệp 1.3. Cấu trúc mạng công nghiệp: Mô hình mạng công nghiệp thường bao gồm 3 Layers (or Levels): Field, Process Control (Master) và Supervisory/Management Levels: hình 102 • Field Level: Là các đối tượng gắn liền với quá trình công nghệ, thường được điều khiển bởi các máy tính công nghiệp, các hệ Vi điều khiển hay các bộ PLC nhỏ. Đường truyền thường dạng Point to Point hoặc Multi Point. Ch 1: Overview 14 7
  8. 8/26/2012 • Process Control/ Master Level: Kết nối, tập trung hóa các điểm công nghệ thông qua các module truyền tin, có data base. Thiết bị thông thường là các máy tính PC công nghiệp hoặc các PLC mạnh. • Supervisory Management/ Operator Level: thường dùng Industrial Ethernet để đặt các thông số sản xuất, giám sát quá trình, quản trị cơ sở dữ liệu sx, qlý thiết bị, ql sự cố. Giống như mạng máy tính bình thường, có thể nối internet cho các dịch vụ remote (installing, training, service, update...) Ch 1: Overview 15 Ch 1: Overview 16 8
  9. 8/26/2012 1.3.1. Field Level – Level 1: • Nói chung, chúng đều là các thiết bị thông minh (compute- rized devices như Vi điều khiển, iPC), có các cổng truyền tin RS232/ RS422/ RS485 hoặc đường truyền nguồn dòng điện có cách ly quang học: • Các thiết bị đo gắn với các quá trình sản xuất/ đối tượng công nghệ: Máy đo lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, tốc độ quay..., • Các thiết bị điều khiển/ cơ cấu chấp hành: Motor, Valve, Contactor..., • Các hệ điều khiển mạng CN cấp thấp hơn, điều khiển bởi những bộ PLC/PC (Field Controller) cho một nhóm thiết bị, như mạng AS-i của Siemens, MODBUS của Schneider • Được tập trung hóa, đánh địa chỉ trên một bus chuẩn, (như Profibus của Siemens) để trao đổi thông tin với tầng trên • Các transducers, sensors thông minh... Ch 1: Overview 17 1.3.2. Master/ Process Control Level – Level 2: • Là các PC công nghiệp (iPC), PLC và các máy tính kỹ thuật (Aid/Health). • Các Cty sản xuất PLC: – Siemens Automation Simatic, S5/S7 series; – Allen Bradley, a Rockwell Company, AB Master series; – GE-Fanuc, a GE Company, Master Logic 90 series; – ABB Automation, Master Piece Series; – Omron; ... • Cấu trúc các thiết bị PLC thường chia thành các module chức năng, được gắn trên giá đỡ (RACK): – CPU + Power supply Module có cổng nối bộ lập trình (Programmer) – [Expansion Memory Module (Flash, SRAM, DRAM, BBRAM)] – Digital Input Module (mức áp dc/ac, cách ly...) Ch 1: Overview 18 9
  10. 8/26/2012 – Digital Output Module (relay, transistor, triac..., Relay/Opto Isolated) – Analog Input Module (u, i, cách ly...) – Analog Output Module (u, i) – Timer/ Counter Module (kHz, đếm xung, đo tốc độ, chiều dài) – Communication Module: (RS232/485; Ethernet IEEE 802.x) – 2/3 D Positioner Module (định vị 2/ 3 chiều) – Interface Module - dùng để mở rộng thêm các Module khác – Function Modules: các chức năng điều khiển PID, Servo/ Step Motors,... • Bus: thường dùng các – Bus chuẩn công nghiệp để nối với với các tầng dưới, – Ethernet IEEE 802.x để kết nối giữa các tủ PLC và nối với tầng trên. Ch 1: Overview 19 • Health Repport & Aid (Development System) PCs : – Health Report PC: Nối với các điểm đo thô (các tầng Transporrt Oriented Protocols), hoặc các thông số vận hành của các máy chủ, các tủ PLC để cho các chuyên gia (masters) bảo dưỡng và sửa chữa. – Aid/ Development System Computers: – Chứa Ctr nguồn (system/application) trong PLC, chương trình dịch và tool - LOADER, DEBUGGER, SIMULATOR... để nạp và chạy thử PLCs. – Dùng cho các chuyên gia sửa chữa/ thay đổi/ nâng cấp phần mềm thay đổi các tham số đo lường/điều khiển (đôi khi được hiểu là data base) trong PLC, – Khai báo thêm các điểm công nghệ mới, xóa bỏ 1 điểm đã có (1 data base); – Có công cụ DEBUG để cho phép Test, Run, Stop, Break cho từng đối tượng Ch 1: Overview 20 10
  11. 8/26/2012 1.3.3. Supervisor (Operator/Management) - Level 3 • Dùng để giao tiếp với người vận hành, các chuyên gia công nghệ (Điện, Lò, Cement, Giấy, cán thép...) để điều khiển quá trình sản xuất • Mạng máy tính IEEE 802.3, 100 Mbps, Giao thức TCP/IP Các máy tính mạnh, song hành (Sun, DEC Alpha, IBM AS400/ RS6000/Netfinity...): – Máy tính quản lý quá trình sản xuất, giao tiếp với người vận hành (MMI) – Máy tính CSDL, lưu số liệu, điều khiển việc sao lưu – Máy tính Đào tạo, phát triển – Máy tính Truyền tin (gateway) nối với các tầng cao hơn – Event Printers ... – Kết nối tầng dưới (Down Stream) với các module Ethernet Adaptor của PLC, iPC Ch 1: Overview 21 1.4. Hoạt động và các phần mềm: 1.4.1. Field Level – Level 1: có thể là • Dựa trên các hệ nhúng - Embedded System, các hệ vi điều khiển, các thiết bị transducer thông minh, hay các cơ cấu chấp hành thông minh... có các chương trình vận hành riêng. Một số được gọi là RTU - Remote Terminal Unit • Các Field Controllers: các PLC qui mô trung bình và nhỏ (mini & mid range: S5-90/100/115; S7-200/300), có các module lập trình. • Các Transducers/Transmitters, thông tin ra là các dòng điện, điện áp đã được chuẩn hóa:  UOUT = 0..10V  IOUT = 0..20mA hoặc 4..20 mA • Có thể được tổ chức thành nhóm: mạng AS-i hoặc RTU Ch 1: Overview 22 11
  12. 8/26/2012 1.4.2. Master Level - 2:  Các máy tính kỹ thuật (Health/Aids/Depvelopment...): Hệ điều hành: WinNT/ UNIX/DOS/BASIC... XP Ứng dụng dùng các ngôn ngữ lập trình thông dụng: C/ C++/ASM.  Các Hệ PLC cấu hình mạnh (Hi performance: S5-135/ S7-400 - Chương trình điều hành PLC: do các hãng công nghệ TĐ - Chương trình ứng dụng: + Ngôn ngữ: hướng đối tượng, dễ học, + Kiểu LADder/ StaTement List và Functional Block Diagram (H. 102), Ch 1: Overview 23 – Chương trình dịch: Interpreter để cho phép chương trình đo lường - điều khiển hệ thống vẫn hoạt động trong khi thay đổi các tham số, cấu hình các module chương trình. – Chương trình ứng dụng và số liệu được thiết kế sẵn kiểu module và database, dễ triển khai, dễ chỉnh sửa tại hiện trường: Input data base, Output data base... của các điểm công nghệ. Ch 1: Overview 24 12
  13. 8/26/2012 – Hoạt động: • Thực hiện kiểu quét chương trình (hình 102), tốc độ quét phụ thuộc vào độ lớn chương trình. • Đọc các giá trị vào (Digi/Ana/Comm/Timer...) • Update vào cơ sở dữ liệu • Tính toán ra quyết định điều khiển • Đưa các tín hiệu ra • Kiểm tra các trạng thái nội bộ • Chương trình được chia thành nhiều Function Block, có thể Enable hay Disable từng block trong quá trình hoạt động Ch 1: Overview 25 • Data base: Một số hãng thiết kế data base cho riêng mình như MasterPiece của ABB, Habitat của Alstom T&D. Mỗi điểm đo lường/điều khiển công nghệ được coi là 1 data base element. • Bus và giao thức là chuẩn công nghiệp về truyền nối tiếp, do các hãng đưa ra phù hợp với các tiêu chuẩn IEC... IEEE... ví dụ mục sau. Ch 1: Overview 26 13
  14. 8/26/2012 • Ví dụ data base: số đo theo thời gian (Time stamp data base): là một bộ các số liệu (record) liên quan đến điểm đo đó, được hiểu như các fields như:  Tên/mã điểm đo, vị trí, đối tượng (hơi, chất lỏng, lửa buồng đốt, thân động cơ/máy phát, công trình...)  Đơn vị/ thứ nguyên đo,  Hệ số hiệu chỉnh tuyến tính (ax + b) hoặc phi truyến (hàm đại số hoặc giải tích, đat thức),  Range: min - max,  Alarm Levels: Low/Hi Alarm  E-Stop: Low/Hi Emergency stop  Thời gian update - interval hay thích nghi, độ phân ly để update  Độc lập hay phụ thuộc (vector), Liên kết của số liệu  Historical Events (Fault - Value, Time...), lắp đặt, bảo dưỡng...  Sensor, cable, connectors, local...  ... Ch 1: Overview 27 1.4.3. Operator Level 3 Là mạng máy tính cục bộ LAN, chuẩn IEEE 802.x, giao thức TCP/IP Có các máy tính như các servers, hệ điều hành UNIX hoặc WinNT, các server này thường chạy song hành: o Server ứng dụng - hướng tới đối tượng là các quá trình công nghệ, được xây dựng bằng các ngôn ngữ/ ứng dụng chuyên cho SCADA như CITEC, WINCC (Siemens)...: o Server cho các hệ cơ sở dữ liệu ONLINE o Server cho các hệ CSDL OFFLINE, Historical Data base và các các thiết bị sao lưu tốt. o Có khả năng tái tạo lại các tính huống, các sự kiện hay sự cố o Server để đào tạo, để mô phỏng các quá trình, các sự cố có thể xảy ra và đưa ra kịch bản để xử lý. o Cổng nối với mạng cấp trên (gate way) như internet/ cáp quang để cho phép trao đổi số liệu và đặc biệt nối với nhà cung cấp để nhận được các dịch vụ đào tạo, cài đặt và maintenance từ xa. Ch 1: Overview 28 14
  15. 8/26/2012 • 1.5. Case study 1: PC3 - SCADA/EMS • 1.5.1. Sơ đồ Phát - Truyền tải - Phân phối điện năng Miền Trung - PC3. Xem hình 104, • 1.5.2. Hệ SCADA Điều độ lưới điện miền Trung: Hình 105. Ch 1: Overview 29 Ch 1: Overview 30 15
  16. 8/26/2012 Ch 1: Overview 31 1.5.2.1. Đặc điểm Lưới điện và Hệ SCADA Điều độ: • Lưới điện cao áp Miền Trung là 1 hệ thống các mạng 500, 220 và 110kV, trải khắp hàng ngàn km, từ Quảng bình đến Nha trang - Đa nhim. • Có 2 trạm 500kV/220kV tại Đà nẵng và Pleiku, • Gần 10 trạm 220kV/110kV trải dài khắp miền trung và khu vực Tây nguyên, nối thành mạch vòng khép kín. • Hàng chục trạm 110kV... • Tại mỗi trạm có RTUs là thiết bị kiểu PLC, để thu thập các số liệu của trạm: 3 điện áp thanh cái, 3 dòng điện sơ cấp, 3 dòng điện thứ cấp, 2 dòng điện zero, trạng thái các máy cắt, trạng thái các nấc biến áp, tần số, công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q, các số đo tự dùng, các số đo của nguồn dc... Ch 1: Overview 32 16
  17. 8/26/2012 • Hệ thống truyền thông mạnh trên cơ sở 4 loại hình truyền thông (song hành): OF, Microwave, PLC và ISDN. • Hệ thống do Hãng Alstom T&D, Pháp thiết kế, lắp đặt và ph/tr phần mềm trên cơ sở thiết bị hợp chuẩn của nhiều nhà cung cấp khác. 1.5.2.2. Cấu trúc hệ thống: Chia thành 3 lớp chính: Mạng LAN, các RTUs và các thiết bị đo lường - điều khiển tại các trạm:  Mạng LAN Ethernet 802.3, 100Mbps, gồm 8 máy tính server, chia thành 4 nhóm chức năng (duplication), đặt tại trung tâm TĐH A3, Đà nẵng: • RealTime EMS Servers, 2 máy tính DEC Alpha, UNIX, song hành, làm nhiệm vụ chính của hệ SCADA: đo lường, điều khiển, tính toán trào lưu công suất... Ch 1: Overview 33 • DTS/DS Servers: Dec alpha, UNIX, song hành, làm nhiệm vụ mô phỏng, đào tạo và phát triển phần mềm (thêm bớt các trạm, hiệu chỉnh tham số cho các CSDL...) • HIS Servers, DEC Alpha, UNIX: OFFLINE Database, gồm 2 x 6 HDD RAID 5; 12 MO Drivers để lưu số liệu trong vòng 2 năm • Comm OAG, Open Access Gateway, DEC Alpha, WinNT: dùng để nối lên Internet và cáp quang nối A0, Trung tâm Điều độ HTĐ Quốc gia, Hà nội. – Data base 2 side A3 và A0 – Protocol converter: IEC 870-x ICCP (Inter Control Center Protocol), Ch 1: Overview 34 17
  18. 8/26/2012 • GPS dùng để thu thập thời gian thực từ vệ tính để chuẩn thời gian giữa các Trạm, giữa các điều độ miền và điều độ A0 • CFE, SUN, OS: OPEN VMS, Communication Front-End Processing : dùng để truyền thông với các trạm điện bằng 4 loại Adaptor: Cáp quang OF, Vi ba (microwave), PLC (PowerLineCarrier) và [ISDN]: – V24, 4800 bps – Concentrator, – Protocol converter: IEC 870-5 TCP/IP – Buffer (HDDs) – 4 Cards x 16 path, mỗi path quản lý nhiều điểm (Multi drop), – Time synchronizing. Ch 1: Overview 35 • 20 PC Terminals, WinNT, có chức năng MMI, cho 4 cấp users: Read/ Write/ Execute/ Audible •  RTUs tại các trạm, là các thiết bị kiểu PLC (Programmable [Logic] Controller): • CPU board hãng Microsol, Ireland, CPU 68020, 1MB EPROM, 8 MB SRAM • Communication: V24/V28, IEC 870-5 • Cấu trúc và hoạt động theo kiểu database IN/OUT (database driven) • IN/OUT Cards: – Analog In: 64 channels/card, 4 card/RTU max, 0..20mA, Isolated, time resolution: 6ms – Digital IN/OUT Cards: 64 channels/card; 4 cards/RTU, – Hi speed counters: đo đếm công suất/ năng lượng – Power supply: Accu 48Vdc Ch 1: Overview 36 18
  19. 8/26/2012  Field Level: là các thiết bị chuyển đổi (transducers) từ dòng, áp, P, Q, f... thành các tín hiệu dòng điện (0..20mA) hoặc xung 1.5.2.3. Các phần mềm hệ thống và ứng dụng:  Phần mềm trên các máy chủ: • Hệ điều hành: UNIX - DEC và WinNT Ch 1: Overview 37 • Ứng dụng: - Phần mềm TOPOLOGY, đánh giá hệ thống lưới, - SCANNER: thu thập số liệu, đánh giá số liệu - Tính toán trào lưu công suất POWER FLOW, - OPTIMAL PowerFlow, - Economical Dispatching, - Dự báo sự cố và hướng giải quyết, - Sa thải phụ tải - Load Shedding, - Dự báo phụ tải: mưa, nắng, lễ tết, mùa... Ch 1: Overview 38 19
  20. 8/26/2012 • Điều khiển OLTC (On Load Tap Changer) • Work Order/ Scheduler, • Supervisor for comm: Change Over, chuyển giữa 2 đường dây để phát hiện sự cố, • Historical Reconstruction: 2s • AGC: Automatic Generator Controlling, • .... Ch 1: Overview 39 • ONLINE Database: Habitat, ALSTOM T&D – Real time, đồng đều về thời gian, – Kết hợp mô hình quan hệ và mô hình cây, – Duplication, Online integration, – Limit: 150 RTU, 15k Analog, 25 k Digital data base. – .... • OFFLINE Database Oracle: Copy và chuyển đổi từ Habitat sang Oracle, (Open)... Ch 1: Overview 40 20
ADSENSE
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2